El sistema biomecanico.Parte 1

Cuando comenzamos el estudio de la Biomecánica como encontramos en los textos el concepto de SistemaBiomecánico utilizado para caracterizar de cierta forma algunos enfoques que tiene que ver con el cuerpo humano. Este es definido como una copia simplificada, un modelo del cuerpo humanoen el cual se pueden estudiar las leyes de los movimientos [ 3 ]. En realidad no es otra cosa que un modelo del cuerpo humano o de algunas de sus partes, propuesto para analizar conceptos desde un punto de vista simple de la Maquinaria y Mecanismos o de la Mecánica Teórica. Este ese un concepto novedoso aplicado al estudio de la biomecánica y que tuvo su origen el los trabajos de autores motivados por la aparición de la cibernética como ciencia[2 ]. En la actualidad se ha comenzado a emplear con mucho énfasis el modelaje de los movimientos humanos, de su cuerpo, sus partes y componentes. Es por eso que en este trabajopretendemos dar una noción de algunos conceptos que están relacionados con el modelaje y que servirán para aclarar y actualizar los existentes. Palabras claves: biomecánica, sistema, modelos El sistema Desde hace algún tiempo se ha venido utilizando dentro de las cienciasel enfoque sistemático y para la biomecánica no ha pasado por alto, aún cuando no nos damos cuenta de su manifestación. Para la biomecánica resulta muy beneficioso este enfoque sobre todo en el estudio de los movimientos del hombrecomo leyes que rigen su dirección. El nacimiento de la Cibernética, como ciencia de la dirección o control, se puede establecer en el año 1942, durante la celebración de un congreso sobre la inhibición cerebral en Nueva York. De aquí surgió la idea de la necesidad de un intercambio de conocimientos entre fisiólogos y técnicos en control [1]. Esta ciencia comenzó a nombrarse así a partir de la publicación del librode Norbert Wiener "Cibernética o dirección y enlace en el animal y en las máquinas" (1948). Entre sus conceptos fundamentales se encuentran: Sistema: Es cualquier todo, agrupado y formado por partes componentes interactuantes. Es decir, un conjunto de componentes, interrelacionados entre sí, que actúan bajo determinadas leyes. Estado del sistema: Es el valordeterminado de sus características en un momento dado. Conducta del sistema: Es el cambiode sus estados, la variación de la magnitud de sus características. Dirección del sistema: Es la transición del sistema a un nuevo estado determinado con anticipación (el logro de un objetivo). El sistema de movimientos se estudia en la siguiente sucesión bajo este enfoque: De qué partes componentes está formado y cómo están agrupados esas partes (composición y estructura). Cuáles son las características de sus movimientos (estado del sistema). Cómo se produce el proceso de movimiento, según los datos de registro de las características (conducta del sistema). Cuáles acciones y de qué forma conducen al logro del objetivo (dirección del sistema). En la Cibernética se han determinado tres aspectos que dan solución a estas tareas: La Cibernética analiza las particularidades generales de los sistemas dirigidos y de los procesos de dirección. La Cibernética aplicada o experimental soluciona fundamentalmente las tareas prácticas mediante el modelaje; su empleoen las cuestiones de la técnica deportiva está en sus comienzos. La Cibernética técnica estudia y construye instalaciones técnicas que transforman la informacióncon el objetivo de hacerla más óptima (aparatos de información inmediata). Estas instalaciones se emplean en la enseñanza y el entrenamiento. La biomecánica actual se desarrolla en este sentido, que incluye todo lo clásico y su desarrollo ulterior dentro del enfoque sistemático-estructural. La cibernética aplicada utiliza la simulación para el análisisde los sistemas, sobre todo, aquellos sistemas dinámicos (varían con el tiempo). La simulación es una técnica (normalmente numérica) que se utiliza para realizar experimentos a partir de un modelo que describe el comportamiento de las componentes del sistema y su interacciónen el tiempo. A partir del modelo de simulación se imita el desarrollo del sistema en el tiempo, considerando todos los factores que le acompañan ( optimización ) y realizando una analogía entre el modelo y el sistema real en condiciones naturales (validación). La optimización consiste en asegurar al sistema una trayectoria óptima. Resulta imposible optimizar un modelo sino se conoce profundamente las leyes que rigen su comportamiento. La validación es hacer que el modelo sea lo más semejante al real en funcionamiento. Es por eso que: "La biomecánica estudia en el cuerpo humano, en su aparato locomotor preferentemente aquellas particularidades de la estructura y funcionesque tienen importancia para el perfeccionamiento de los movimientos. Sin detenerse en los detalles de la estructura anatómica y de los mecanismos fisiológicos del aparato locomotor, analiza un modelo simplificado del cuerpo humano: el sistema biomecánico. Este sistema posee las propiedades fundamentales, que resultan esenciales para la ejecución de la función motora, pero no posee gran cantidad de detalles parciales" [4]. El sistema biomecánico puede ser activo, de todo el cuerpo, del aparato locomotor y pasivo, de los órganos internos, de los tejidos blandos y de los líquidos [3]. Esta es una forma de clasificar los posibles modelos del cuerpo humano, como un sistema autodirigido, que pueden tenerse en cuenta para estudiar al cuerpo completo y sus partes. Modelos biomecánicos El modelaje del cuerpo humano, de sus partes y tejidos ha comenzado a aparecer como un métodoimportante para estudiar problemas específicos de la mecánica humana. Estos modelos se emplean: Figura No. 1: Modelos de los miembros como palancas [2] Para aplicar las leyes de la Mecánica y la Teoríade Maquinaria y Mecanismos. Por ejemplo, cuando analizamos a un miembro del cuerpo humano como palanca, estamos utilizando un modelo de ese miembro donde se pueden considerar uno o varios músculos que son los encargados de mover o estabilizar al miembro y su carga mecánica. Para la simulación en computadora. Con ayuda de los modelos, programasespecializados y la acumulación de datos, ha comenzado a emplearse como un método de la biomecánica. En la actualidad existen programas creados especialmente para la simulación a partir de modelos del cuerpo humano. Un ejemplo es modelo músculo-esquelético SIMM (Modelo del cuerpo completo o de sus partes), diseñado a partir de un hombre adulto. Este modelo posee 86 grados de libertad, 117 articulaciones y 344 actuadores que representan a músculos y tendones. Las articulaciones tienen gran exactitud cinemática. a ------------------ b Figura No. 2: Modelos para la simulación en computadoras a - del cuerpo completo y b - de los miembros inferiores durante el pedaleo La Figura No. 2 b corresponde a una imagende la animación del pedaleo en ciclismo. En cualquier instante las fibras rojas están representando a los músculos motoresque son los encargados del movimiento de la pierna y las fibras oscuras representan a los músculos antagonistas. La simulación con modelos posee ciertas ventajas cuando se desea experimentar al sistema de movimientos del hombre en determinadas condiciones, ya que permite: El estudio y análisis del comportamiento de sistemas en los cuales sería muy costoso o imposible experimentar directamente en ellos. Estudiar los aspectos que sobre un sistema determinado tendría ciertos cambios o innovaciones sin necesidad de arriesgar a estudiarlos en el sistema real. El análisis de determinadas alternativas para seleccionar sistemas de nueva implantación. Resolver problemas analíticos complicados de una forma más sencilla. Clasificación de los modelos en biomecánica El modelaje en biomecánica puede ser dividido en dos grandes grupos, cada uno de los cuales posee subgrupos: Físico 1.1 Modelos a escala 1.2 Maniquí antropométrico Matemático 2.1 Modelos de elementos deformables Modelos de cuerpo rígido El modelo físico es bastante caro y no puede ser fácilmente modificado. Estos modelos desarrollan un importante papel en la investigación biomecánica. El modelo a escala es utilizado cuando es extremadamente dificultoso resolver las ecuacionesde movimiento. Casi todos los estudios donde interviene la mecánica de fluido y el cuerpo humano se desarrolla mediante este tipo de modelaje. Por ejemplo, este tipo de modelo se ha utilizado para estudiar el vuelo de los saltadores en esquís y el efecto de la resistencia del airesobre los corredores. Los maniquíes antropométricos se usan para pruebas destructivas o dañinas. Se utilizan con mucho acierto en pruebas de la aviación y automovilísticas. Son modelos extremadamente caros debido a los sensores que son necesarios colocarles para hacer las mediciones deseadas y se ven sometidos a grandes cargas que pueden destruirlos. Figura No. 3 Maniquíes antropométricos (hombre y mujer) Estos maniquíes fueron utilizados para estudiar las lesiones de columna vertebral en accidentes automovilísticos